無線電氣象學

無線電氣象學是研究電磁波的傳播與大氣現象相互關係的學科。主要是研究大氣及其所含懸浮物質對無線電波的散射、折射、反射、吸收作用的內在機制及其規律性。

由於大氣的温度、密度、電性質、濕度、所含雜質的濃度的不同，引起在其中傳播的無線電波的折射、反射、散射、吸收作用也不相同，另外有的大氣過程本身也能發出無線電波，因此，人們可以利用無線電波對氣象過程、天氣現象進行探測遙感，大氣的某些特性和過程，這就大大改進了氣象觀測的手段。通過無線電氣象學的研究也可以瞭解和掌握大氣現象和過程對無線電波的影響規律，有效地利用無線電進行遙傳。 ^[1] 

無線電氣象學在處理通信和定位測速問題中，能精密修正因大氣折射引起的誤差、估計大氣閃爍造成的影響、分析在雲雨條件下的通信情況等方面，因而得到廣泛應用。其中大氣及雲雨的微波輻射特性，已成為微波遙感和雷達探測的根據。無線電波在對流層中的傳播特性取決於大氣折射指數，如由大氣折射指數的不均勻分佈引起的無線電波折射，由大氣折射指數的隨機起伏引起的無線電波散射等等。

無線電氣象學的主要研究內容是：大氣折射指數的時間和空間分佈；無線電波在大氣和雨、雲中的衰減現象，即吸收和散射作用；無線電波在湍流大氣和雲、雨中的傳播等等問題。現代無線電氣象學的研究領域已向短波方向開拓，主要是研究無線電波在對流層中的傳播、微波遙感及雷達探測的有關基礎。 ^[2] 

無線電氣象學起始於天電的研究。 二十世紀20年代，許多歐洲科學家在廣頻譜範圍內對天電開始進行測量，發現了雷暴、雪暴、塵暴等都有天電現象。同時，隨着無線電通信的廣泛使用，人們發現電波在大氣中的傳播過程中具有折射、吸收、散射等現象，這些現象都同大氣狀態、雲雨系統、天氣過程等有關。

利用無線電儀器來研究大氣中發生現象的第一個人是無線電發明者A.C.波波夫。他製成的並且被稱為雷暴指示器的接收機，收到了30公里外的閃電產生的無線電波。無線電探空儀―用來測量高空中空氣的壓力、温度和濕度的儀器，在氣象學中獲得了廣泛的應用。無線電探空儀是藉助於充着重量輕的氣體的氣球升到高空的。在無線電探空儀內裝有火柴盒大小的微型無線電發射機。它是由電池供電的。蘇聯最新的無線電探空儀的重量約為1公斤。隨着無線電探空儀的逐漸升高，發射機便朝着地面發射脈衝，用接收設備把它接收下來，使儀表指針轉動。無線電探空儀的信號，在100公里的距離內可以收到。無線電探空儀可以充當建立無人管理的自動化無線電氣象站的基地。這些氣象站安置在人們難以到達的、人煙稀少的地區，可以工作一年或更久且不需要人的管理。在一整夜內，一定的時間，無線電氣象站發出無線電脈衝，根據它的性質我們可以判定空氣的壓力、温度和濕度，判定降水量等等。有的無線電氣象站則在收到氣象總站所發出的無線電信號以後可以隨時發出自己的脈衝。

在氣象學中還使用無線電測風儀——用自動測風速和風向的儀器。它們裝在遠離海岸的海上——裝在浮標上，也裝在山峯上。

氣象學家正愈來愈廣泛地使用雷達。使用雷達設備不但能研究大氣的狀態，而且還能研究無線電波傳播條件跟天氣的關係。

原來大氣中含有的水滴和冰粒會驅散無線電波；在釐米波和毫米波的情況下，這會導致信號的中斷。温度和濕度隨高度的變化，會影響以最短的無線電波工作的無線電台的作用距離。但是在另一方面，各層大氣葉中温度和濕度的不均勻分佈，在某些情況下會導致在特定範圍以外可靠地接收電視節目。在氣象學中使用無線電電子學，可以使我們每天獲得關於地球上各個不同地區內氣候情況的大量資料。為了預測天氣和預報天氣，必須在很短的時間內總結和計算這些資料。所以，電子計算機變成處理和計算天氣資料的重要工具之一。 ^[3] 

40年代，在雷達技術被引入氣象學之後，使電波在大氣中的傳播與大氣特性的相互關係的研究更加廣泛。雖然上述折射、吸收和散射等現象所引起的信息，對電波傳播來説是干擾，但對氣象來説，則可用於大氣探測。60年代末，利用大氣微波輻射，從地面和氣象衞星上進行大氣遙感，更加豐富了無線電氣象學的內容。

主要研究對流層中大氣折射率對電波傳播的影響（見無線電波的空氣折射率、無線電波在對流層中的折射）；大氣中氧和水汽對某些微波波段的吸收所造成的電磁波能量的衰減（見大氣的微波吸收）；雲和降水粒子對微波的吸收和散射所造成的能量衰減（見雲和降水粒子的微波吸收、雲和降水粒子的微波散射）；電磁波在湍流大氣中的傳播過程中所發生的各種現象和規律等。

無線電波在真空中的傳播速度與在空氣中傳播速度的比。它等於空氣電容率的平方根，是決定無線電波在低空大氣中傳播狀況的重要參數，常用n 表示。空氣中氧和氮是中性分子（沒有固有的電偶極距）；水汽是極性分子（存在固有的電偶極距）。上述兩類分子都參與空氣的介電作用。幹空氣的介電現象是在電場作用下，由氧和氮分子極化引起的。在無線電波作用下，空氣分子發生極化，使電波傳播速度比在真空中小。有電場存在時，水汽分子不僅因為極化，而且因其固有的電偶極矩在電場作用下而轉動，使電波傳播速度降低。故無線電波在濕空氣中的傳播速度比在幹空氣中小。無線電波的空氣折射率與空氣密度和水汽密度成正比。

無線電波折射現象與光波折射現象有相似之處（見大氣折射），但是在大氣中無線電波的折射率及其變化的程度都比光波折射率大，路徑的彎曲程度比光波的嚴重。無線電波的空氣折射率隨頻率變化是很小的，在頻率小於100吉赫（波長大於3毫米）時，可近似地視為常數。折射率n的數值與1(真空折射率)很接近，在地面上只差近於 300×10-6的一個小量，在高空差值更小。為了使用方便起見，引用折射率差N來表達折射率n 與1的差值，以差值的百萬分之一為單位，稱為N單位，即N=(n-1)×106。折射率差 N是大氣温度、壓力和濕度的函數。即：

式中T為氣温(K)，p為氣壓(百帕)，e為水汽壓（百帕）。上式用於頻率小於30吉赫（波長大於1釐米）時，誤差小於0.5%。在地面上折射率差N的變化範圍約為260～460，它隨氣温和濕度變化。在不同高度上，折射率差N隨大氣温度、壓力、濕度的變化可表示為折射率差N 隨高度z按指數規律遞減， 遞減約為0.1～0.2公里-1(在國際上常採用地面上的N為315，平均隨高度遞減率為0.136公里-1)。

由於湍流造成電容率的起伏，使遠程傳輸接收到的信號振幅和位相發生脈動，按此關係可探測大氣湍流特性（見電磁波在湍流大氣中的傳播）。

對流層大氣是折射率不均勻的介質，電波在對流層大氣中傳播時，由於不同區段的傳播速度不同，引起電波傳播方向改變，出現電波傳播路徑彎曲的現象。在正常情況下，大氣折射率隨高度變小。

無線電波的傳播路徑有如下幾種類型：①路徑與地面的彎曲同向的為正折射；②路徑與地面的彎曲反向的為負折射；③路徑是直線的為零折射；④路徑的曲率和地面曲率相同的為臨界折射；⑤路徑的曲率大於地球曲率的為超折射，這時，無線電波將折返地面。標準大氣下的折射，稱為標準折射，屬正折射。

在討論電波的長距離傳播時，視大氣層為包圍地球的球層，電波射線的折射路徑應該用球面折射定律來計算(見大氣折射)。也可以用通常的折射定律來計算，但此時的折射率應用訂正後的折射模數M 來代替。地面的M約為300。M和M 的鉛直變化dM/dz都和大氣狀態有關，當dn/dz<-15.7×10-8米-1或 dM/dz<0時，就發生超折射現象。例如有逆温層（氣温隨高度增加）或水汽隨高度急劇減小時，可以形成超折射。此時電波從上層折回，再被下層反射，似在波導內傳播一樣，產生這種現象的空氣層稱為大氣波導。

大氣波導可在一個薄層內使電磁能向遠方傳播，這個薄層在對流層中可以是貼地面的，也可以是懸空的。在一定折射率差 (N)(見無線電波的空氣折射率)鉛直梯度和一定厚度的大氣波導中，只有仰角小於一定值〔稱為穿透角(θ)〕的無線電波才能在大氣波導中傳播，大於該仰角的無線電波將穿透大氣波導。折射率差鉛直梯度愈大，波導層愈厚，則穿透角愈大。同時，在大氣波導中，只有小於一定波長（稱臨界波長）的無線電波才能構成波導傳輸，大於該波長的無線電波則不能。大氣波導層愈厚，波導傳輸的臨界波長愈大。一般大氣波導層的厚度小於20～30米，波導傳輸的臨界波長在釐米波或分米波的範圍中。 ^[4] 

（1）無線電特別靈敏。利用電磁波可以把極微小的信號放大許多倍，這樣測得的氣象要素非常準確，即使很小的變化也能顯示出來，這是一般的氣象儀器辦不到的。

（2）應用範圍廣。只要把一個物理量變為電的信號後，就可以用無線電電子學的方法來放大、測量、記錄或控制。無線電電磁波可以穿過真空、大氣和其它絕緣體傳播。電磁波可以從某一點傳播到地球面上任何一點。這意味着通過無線電遙控控制，可以在地球表面的廣大面積上空作連續的長時間的氣象探測。因此，在人煙稀少的高山、沙漠、海島上空也能得到需要的氣象資料。

（3）電磁波行速快。它每秒鐘可以走三十萬公里，也就是每秒可繞地球赤道七圈半。因為天氣瞬息萬變，要做出精確的天氣預報就需要及時瞭解瞬息萬變的天氣狀況，而無線電波則是個不錯的選擇。 ^[5] 

無線電氣象學除直接用於改進無線電通信外，還可以運用大氣和雲、雨、湍流等對無線電波的吸收、散射、折射的原理，研究和利用主動或被動的微波大氣遙感裝備，探測大氣的温度、濕度、雲、雨要素的分佈和大氣湍流狀況，以及分析天氣過程等(見氣象雷達)。由於微波的短波（如毫米波或亞毫米波）技術的發展，使這些波段在大氣遙感和通信中的應用，有了一定的成效。

無線電中的超短波有很寬的波段可供利用，而且可以用不太大的天線得到發射和接收的良好的方向性，可以節省功率和滿足軍事通訊的保密要求。 ^[6]